RF Tekniği
Elektronik Haberleşme Teknolojisi
Dr. Öğr. Üyesi Hidayet OĞRAŞ
Elektronik Haberleşme Tek. Prog.
Osilatörler:
Osilatör: Osilatör, harici bir sinyal kaynağı olmadan çıkışında
periyodik bir dalga formu üreten elektronik bir devredir.
Bir osilatör, herhangi bir giriş olmaksızın sürekli, tekrarlanan,
alternatif bir dalga formu üreten bir devredir. Osilatörler, temel
olarak, bir DC kaynağından gelen tek yön akım akışını, devre
bileşenleri tarafından karar verildiği şekilde istenen frekansta
alternatif bir dalga biçimine dönüştürür.
İletişim sistemleri, dijital sistemler (bilgisayarlar dahil) ve test
ekipmanı osilatörlerden yararlanır.
Osilasyon:
Bir osilatör, salınım ilkeleri üzerinde çalışan elektronik bir
devredir. Enerjideki değişikliklere bağlı olarak iki şey arasındaki
periyodik dalgalanma yaratan sistemlerdir.
Osilasyon ise bir ses dalgasının basıncı veya alternatif bir akımın
gerilimi olarak, bir ortalama değerin üzerinde ve altında
(maksimum ve minimum) tekrar tekrar ve düzenli olarak
dalgalanan etkidir veya kısaca tekrarlı varyasyondur.
Salınımlar sadece elektronik veya mekanik sistemlerde değil, ay
zamanda bilimin hemen hemen her alanında dinamik sistemlerde
de meydana gelir: Örneğin insan kalbinin atması gibi.
Osilatör & Osilasyon:
Salınım (Oscillation): Ortalama değer hakkında tekrar tekrar ve
düzenli olarak dalgalanan etki sonucu. (Salınım)
Osilatör (Oscillator): Bir osilatör, herhangi bir giriş olmaksızın
sürekli, tekrarlanan, alternatif bir dalga formu üreten bir
devredir.
Osilatörler, birçok sistemde farklı amaçlara hizmet ederler.
Analog ve Dijital haberleşme sistemlerinde, hatta
mikrodenetleyiciye pulse sinyali sağlamak için kullanılır.
Osilatör Çalışma Prensibi ve Fonksiyonu:
Pek çok elektronik osilatör türü vardır, ancak hepsi aynı temel ilkeye
göre çalışır: bir osilatör her zaman, çıkışı fazdaki girişe geri beslenen
hassas bir amplifikatör kullanır. Böylece sinyal kendini yeniler ve
devam ettirir. Bu durum, Positive Feedback olarak bilinir.
Osilatörler, bir güç kaynağından çıkan Doğru akımı (DC) alternatif
akım (AC) sinyaline dönüştürme fonkisyonuna sahiptirler.
Bir osilatör devresi, bir AC çıkışı oluşturmak için bir transistör
kullanır. Çıkış salınımları, tank devre bileşenleri tarafından ya R ve C
ya da L ve C olarak üretilir. Önceki aşamadan herhangi bir girişe
gerek olmaksızın sürekli olarak çıktı üretmek için bir geri besleme
devresi kullanılır.
Osilatör:
Bir osilatör, sürekli ve sürekli bir çıktı anlamına gelir. Sürekli
bir çıktıyı sürdürmek için, devam eden bir yeni enerji kaynağı
olmalıdır. Enerji, bir elektrik devresinden, bir DC güç
kaynağından veya başka bir tür jeneratörden gelmelidir. Aynı
durum, bir yayın depolanmış enerjiyi sisteme beslediği bir
sistem için de mevcuttur.
Osilatör Devreleri:
Geri besleme osilatörü, salınımla korumak için çıkışın
olumlu bir geri beslemesine dayanır.
Örneğin, gevşeme (Relaxation) osilatörü, kare dalga gibi
sinüzoidal olmayan bir sinyal üretmek için bir RC
zamanlama devresini kullanır.
Sine wave
Square wave
Sawtooth wave
Feedback Osilatörler:
Çoğu sistem, periyodik, genellikle sinüzoidal bir dalga formu
şeklinde bir girdi gerektirir. Periyodik sinyal, «Osilatör» olarak
bilinen özel bir devreden üretilir. Osilatörler, doğru akımı (DC) bir
güç kaynağından bir alternatif akım sinyaline dönüştürür. Birçok
elektronik cihazda yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
Osilatörler birçok şekilde olabilir ve en yaygın biçim geri besleme
osilatörü (Feedback Oscillator) olarak kabul edilir.
Feedback Osilatör devre yapısı
Osilatörlerin Kısımları:
Amplifier: Gerilim yükseltici
Feedback Devresi (Dalga şekillendirme ağı): Bu ağ, üretilen
dalganın şeklinden ve frekansından sorumlu olan filtre
devreleri gibi pasif bileşenlerden oluşur.
Pozitif feedback yolu (Feedback path): Çıkış sinyalinin bir
kısmı, geri besleme sinyali yeniden oluşturulacak, yeniden
yükseltilecek ve sabit bir çıkış sinyali sağlamak için tekrar
geri beslenecek şekilde amplifikatör girişine geri beslenir.
Osilatör - Özet:
Özetçe, temel anlamda bir osilatör devresi kendisine geri
besleme yoluyla bir giriş sinyali sağlayan bir amplifikatördür.
Osilatörlerin öncelikli amacı ise sabit bir genlik ve belirli bir
frekansta belirli bir dalga formu üretmek ve bu dalga formunu
belirli gerilim ve frekans aralığında tutmaktır.
İlk olarak, sinyal için gerekli kazancı sağlamak için Amplifier
gereklidir. İkinci olarak, salınımları (osilasyonu) devam ettirmek
için feedback gereklidir.
Osilatör Sınıfları:
Temel olarak Osilatör türleri vardır:
1. Sinüsoidal Osilatörler
2. Non-Sinüsoidal Osilatörler (Relaxation Oscillators)
Sinüsoidal Osilatörler: Bunlar Harmonik osilatörler olarak
bilinir ve genellikle bir "LC ayarlı-geri bildirim (Tuned-
Feedback) veya "RC ayarlı-geri bildirim" tipi Osilatör, sabit
genliğe ve frekansa sahip sinüzoidal bir dalga formu üretir.
Osilatör Devre Sınıfları:
1. RC osilatörler
Wien Bridge Osilatörü
Faz-Kaydırmalı (Phase-Shift) Osilatör
2. LC osilatörler
Hartley Osilatörü
Colpitts Osilatörü
Crystal Osilatörü
Osilatör & Osilasyon:
Salınım (Oscillation): Osilatörlerin çıkışındaki peryodik davranış
şeklidir.
Osilatör (Oscillator): Bir osilatör, herhangi bir giriş olmaksızın
sürekli, tekrarlanan, alternatif bir dalga formu üreten bir devredir.
Osilatörler, birçok sistemde farklı amaçlara hizmet ederler.
Analog ve Dijital haberleşme sistemlerinde, hatta
mikrodenetleyiciye pulse sinyali sağlamak için kullanılır.
Osilatörler:
Oslatörler pozitive feedback (geribesleme) içeren bir amplifier dır.
Osilatörlerin öncelikli amacı ise sabit bir genlik ve belirli bir
frekansta belirli bir dalga formu üretmek ve bu dalga formunu
belirli gerilim ve frekans aralığında tutmaktır.
İlk olarak, sinyal için gerekli kazancı sağlamak için Amplifier
gereklidir. İkinci olarak, salınımları (osilasyonu) devam ettirmek
için feedback gereklidir.
Salınımlar üreten elektronik devrelerdir.
Feedback (Geribesleme):
Çıkış sinyalinin bir kısmının, aynı devrenin girişini takrardan
beslemesi, geribesleme (feedback) olarak adlandırılır. Bu etki,
çıkış ve giriş arasında bir bağımlılıkla sonuçlanır ve devrenin
çalışmasında etkili bir kontrol elde edilebilir. Feedback yapısı
iki sınıfta incelenir:
1. Pozitive Feedback
2. Negative Feedback
Positive Feedback:
Pozitif geri besleme, bir amplifikatörün çıkış geriliminin bir
kısmının, net faz kayması olmaksızın girişe geri beslendiği ve
bunun da çıkış sinyalinin güçlendirilmesiyle sonuçlandığı
durumla karakterize edilir.
Bir feedback osilatörün temel bileşenleri:
Positive Feedback:
Pozitif geri beslemede, geri besleme enerjisi (gerilim veya
akımlar), giriş sinyali ile faz oluşturmaz (aynı fazda, in phase)
ve böylece ona yardımcı olur. Pozitif geri besleme, amplifikatörün
kazancını artırır, ayrıca distorsiyonu, gürültüyü ve kararsızlığı da
artırır.
Bu dezavantajlardan dolayı, pozitif geri besleme nadiren
amplifikatörlerde kullanılır. Pozitif feedback yapısı genellikle
osilatörlerde kullanılır.
Negative Feedback:
Negatif geri beslemede, geri besleme enerjisi (gerilim veya akım),
giriş sinyali ile bir faz oluşturur (out of phase) ve buna terstir.
Negatif geri besleme, amplifikatörün kazancını azaltır. Ayrıca
bozulmayı, gürültüyü ve istikrarsızlığı da azaltır.
Negative feedback yapısı, bu avantajlardan dolayı sıklıkla
amplifikatörlerde kullanılır.
Negative Feedback:
Positive vs Negative Feedback Durumları:
Olumlu geribildirim kazancı artırır, ancak kazanç istikrarsızdır. Tersine,
negatif geri besleme kazancı azaltır ve onu dengeler.
Pozitive vs Negative Feedback Karşılaştırma
:
Osilasyon Koşulu:
İki koşulun sağlanması gerekir:
Geri besleme döngüsü etrafındaki faz kayması etkili bir şekilde 0 °
olmalıdır.
Geribeslemeli Osilatörün dön kazancı (loop gain) 1 olmalıdır.
Geri beslemeli (Feedback) Osilatörler Çalışma Prensibi:
Sinüsoidal girişler için çıkış hemen hemen sinüsoidal olur bu
yüzden Linear Osilatörler olarak da adlandırılırlar.
Linear Osilatöler şu kısımları erirler:
1. Frekans seçimli geri besleme (Feedback) devresi
2. Döngü kazancını korumak in bir Amplifier.
+
+
Amplifier (A)
Frequency-Selective
Feedback Network (
)
V
f
V
s
V
o
V
Positive
Feedback
Geri beslemeli (Feedback) Osilatör Devresi:
A: Amplifier Gain (open loop gain); B: Feedback Gain (Geribesleme kazancı)
AB: loop gain (Dön kazancı)
Eğer Vs=0 ise, Vo ‘ın 0 olmaması için tek koşul AB=1 olması
durumudur. Bu koşul «Barkhausen Kriteri» olarak bilinir.
Barkhausen Kriteri:
Genel olarak, Barkhausen kriterlerinin iki koşulu vardır:
1. Birincisi kapalı döngü kazancı 1'e eşittir, yani
2.
İkincisi kapalı döngü fazı 0'a eşittir, yani
Bu iki koşulla, osilatör devresi sinüzoidal bir sinyal üretecektir.
Örnek Sorular:
Osilasyon Başlama Koşulu:
Salınımın başlaması için, pozitif geri besleme döngüsü etrafındaki
gerilim kazan 1'den büyük olmalıdır, böylece çıkışın genliği istenen
bir seviyeye çıkabilir.
Ardından, çıkışın istenen seviyede kalması ve salınımın sürdürülmesi
için kazanç 1'e şmelidir.
Başlangıçta, dirençlerde veya diğer bileşenlerde termal olarak üretilen
geniş bantlı gürültüden veya güç kaynağı açıldığında geçici akımlardan
küçük bir pozitif geri besleme gerilimi gelişir.
Pratik anlamda Tasarım Koşulu:
Genellikle, osilatörler, çıkışta istenilen frekans seviyesi için döngü
kazanım büyüklüğü (Loop Gain) birim değerden (AB=1) biraz daha
yüksek olacak şekilde tasarlanırlar.
Tasarım bu şekilde yapılır, çünkü eğer AB=1 döngü kazancı
büyüklüğü ile tasarlanır ise, kazançta hafif bir azalma sıfıra inen
salınımlara neden olabilecektir.
Bu şekilde tasarlanan Osilatör devresinin dezavantajı ise çok daha
yüksek kazanç, kırpılacak noktaya kadar büyüyen salınım ile
sonuçlanır ki bu da salınımın biraz bozulmasına neden olacaktır.
REZONANS FREKANS
Rezonans Frekans: Rezonans frekansı, bir sistemin doğal veya
zorlanmamış rezonansındaki salınımıdır. Rezonans, bir sistem
Kinetik enerji veya Potansiyel enerji gibi farklı depolama modları
arasında enerji depolayabildiğinde ve kolayca aktarabildiğinde
ortaya çıkar.
Rezonans frekansı, maksimum salınım derecesine ulaşan bir cismin
veya sistemin karakteristik frekansıdır.
Bir elektrik sisteminde, rezonans frekansı, transfer fonksiyonunun
maksimum değerine ulaştığı frekans olarak tanımlanır. Böylece
belirli bir girdi için maksimum çıktı elde edilebilir. Rezonansın
kapasitif empedans ve endüktif empedans değerleri eşit olduğunda
elde edildiği kanıtlanmıştır.
Rezonans Frekans Formulü:
Rezonans frekansı, rezonans altındaki bir devrenin frekansıdır.
Rezonans devresi, LC devresi veya tank devresi olarak da bilinir.
Bu devre, birbirine paralel bağlanmış bir indüktör ve kapasitör
içerir. Rezonans devreleri, belirli bir frekans oluşturmak veya
karmaşık bir devreden belirli bir frekansı seçmek için kullanılır.
Rezonans, salınımlı harekette önemli bir kavramdır. Rezonans
frekansı, maksimum salınım derecesine ulaşan bir cismin veya
sistemin karakteristik frekansıdır. Bir elektrik sisteminde, rezonans
frekansı, transfer fonksiyonunun maksimum değerine ulaştığı
frekans olarak tanımlanır. Böylece belirli bir girdi için maksimum
çıktı elde edilebilir. Rezonansın kapasitif empedans ve endüktif
empedans değerleri eşit olduğunda elde edildiği kanıtlanmıştır.
LC Osilatör Devresi ve Rezonans Frekansı:
Bir indüktör, kapasitör ve dirençten oluşan bir devreye sabit bir
gerilim ama değişken frekans ile uygulandığında, hem
Kapasitör/Direnç hem de İndüktör/Direnç devrelerinin reaktansı,
çıkış sinyalinin genliği ve fazı kullanılan bileşenlerin
reaktansından dolayı değişir.
Yüksek frekanslarda, bir kapasitörün reaktansı çok düşüktür ve
kapasitör kısa devre gibi davranır. İndüktörün reaktansı ise çok
büyüktür ve açık devre gibi davranır. Düşük frekanslarda ise bunun
tam tersi geçerlidir.
LC Osilatör Devresi ve Rezonans Frekansı:
Bu iki arasında, indüktör ve kapasitörün kombinasyonu,
kapasitif ve endüktif reaktansların eşit olduğu ve birbirlerinin iptal
ettiği bir Rezonans Frekansına (ƒr) sahiptir. Bu rezonans frekans
değerinde C (Kapasitör) ile L(İnductor) birbirini götürür ve sadece
devrenin toplam empedansı direnç olarak kalır. Bu durum, devrede
akım ile gerilim arasında artık faz farkı olmadığını açıklar. Bu
frekans değerine «Rezonans frekans (fr)» denir.
Matematiksel olarak bu ifadeyi gösterelim!!
LC Osilatör Devresi ve Rezonans Frekansı:
Seri olarak birbirine bağlı bir RLC devresi düşünelim.
Devrenin toplam empedansı:
Rezonans durumunda devre tamamen dirençlidir. Bu, rezonans
durumunda veya rezonans frekansında Z empedansının sanal
kısmının sıfır olacağı anlamına gelir.
LC Osilatör Devresi ve Rezonans Frekansı:
Eşitlik biraz daha düzenlenirse:
Biz biliyoruz ki:
Yerine yazıldığında :
Rezonans Frekans
Örnek Soru Rezonans Frekans:
1. Sadece L ve C elemanlarıyla oluşturulm bir elektrik devresinde
L=50 mH ve C=5 microF dır. Buna göre bu devrenin Rezonans
frekansı nedir?
Çözüm: Rezonans frekans ile bulunur.
Formülde yerine yazıldığında
fr= 318.4 Hz
olarak bulunur.
Rezonans Frekans
Rezonansın önemi, devrenin rezonanstaki maksimum enerji
miktarını absorbe edebilmesi veya dağıtabilmesidir.
Rezonans, bilinmeyen bir frekansı belirlemek için kullanışlıdır.
Örneğin, Rezonans müzik aletlerindeki ses yoğunluğunu artırmak
için kullanışlıdır. Rezonans, bir radyo alıcısını istenen herhangi
bir frekansa ayarlamak için kullanışlıdır.
Rezonans frekansı, bir sistemin doğal veya zorlanmamış
rezonansındaki salınımıdır.
Seri Rezonans - RLC
Düşünelim, devreye sabit genlikte ancak farklı frekanslarda bir
besleme gerilimi uygulanırsa, devrenin özelliklerine ne olur?
Ayrıca, bu değişen frekans nedeniyle iki reaktif bileşen üzerinde
devrelerin “frekans tepkisi” davranışı ne olurdu?
Bir seri RLC devresinde, indüktörün endüktif reaktansının değer
olarak kapasitörün kapasitif reaktansına eşit hale geldiği bir
frekans noktası olur. Başka bir deyişle, XL = XC. Bunun
meydana geldiği noktaya devrenin Rezonans Frekans noktası
(ƒr) denir ve bir seri RLC devresini analiz ederken bu rezonans
frekansı bir Seri Rezonans üretir.
Seri Rezonans - RLC
Seri Rezonans devreleri, elektrik ve elektronik devrelerde
kullanılan en önemli devrelerden biridir. AC şebeke filtreleri,
gürültü filtreleri ve ayrıca farklı frekans kanallarının alınması için
çok seçici bir ayar devresi üreten radyo ve televizyon ayarlama
devreleri gibi çeşitli biçimlerde bulunabilirler.
Frekansa karşı L ve C
Frekansa göre L nin Reaktansı:
Frekansa karşı endüktif reaktans grafiği düz bir doğrusal eğridir. Bir
indüktörün endüktif reaktans değeri, içinden geçen frekans arttıkça
doğrusal olarak artar. Bu nedenle frekansla doğru orantılıdır (XL ƒ)
Frekansa karşı L ve C
Frekansa göre C nin Reaktansı:
Frekansa karşı kapasitif reaktans grafiği hiperbolik bir eğridir. Bir
kapasitörün Reaktans değeri, düşük frekanslarda çok yüksek bir değere
sahiptir, ancak içinden geçen frekans arttıkça zla azalır. Bu nedenle,
kapasitif reaktans negatiftir ve frekansla ters orantılıdır (XC ƒ -1)
Temel bir LC Osilatör Devresi
Devre, bir endüktif induktor (L) ve bir kapasitör (C) 'den oluşur.
Kapasitör, elektrostatik alan şeklinde enerji depolar ve bu da
plakaları boyunca potansiyel (statik gerilim) üretir. İnduktor
enerjisini elektromanyetik formda depolar. Kondansatör, anahtar A
konumuna getirilerek DC besleme gerilimine (V) kadar şarj edilir.
Kondansatör tam olarak şarj edildiğinde anahtar B konumuna geçer.
LC osilatör Devresinin çalışması
Yüklü kapasitör, inductor (L) elemanına paralel olarak bağlanmıştır,
böylece kapasitör inductor tarafından boşalmaya başlar. Inductor
içindeki akım yükselmeye başladığında, kapasitördeki (C) gerilim
düşmeye başlar.
Bu yükselen akım, inductor etrafında bu akım akışına direnen bir
elektromanyetik alan oluşturur. Kondansatörde, depolanan enerjiyi
tamamen boşaltılırken, bu enerji, L inductor sargılarının etrafında
bir elektromanyetik alan olarak depolanmaktadır. Kısaca L ile C
arasında bir enerji dönüşümü gerçekleşmektedir.
Artık devrede, bobinin içindeki akımı korumak için harici bir
gerilim olmadığından, elektromanyetik enerji seviyesi düşmeye
başlar. Inductorda akımın orijinal yönde akmasını sağlayan bir
gerilim oluşmaya başlar.
LC osilatör Devresi çalışması-2
Bu akım, kondansatörü (C) orijinal künün ters polaritesiyle şarj
eder. C, akım sıfıra düşene ve bobinin elektromanyetik enerjiyi
tamamen bitinceye kadar şarj olmaya devam eder.
Bu süreç, bir LC osilatörler devresinin temelini oluşturur ve teorik
olarak ileri-geri döngü şeklinde süresiz olarak devam eder. Bununla
birlikte, kapasitörden, indüktöre, ve tam tersi durumlarda enerji her
aktarıldığında, zaman içinde salınımları sıfıra düşüren bazı enerji
kayıpları meydana gelir.
LC osilatörde Rezonans Frekans
fr : Rezonans frekans (Hz)
C : Farad cinsinden Kapasitans
L : Henry cinsinden İnductans
Not: Bu denklem, L veya C azalırsa, frekansın arttığını gösterir.
LC osilatör - Örnek
Örnek Soru – Rezonans Frekans:
Aşağıda verilen LC rezonans devresinde C=10 mikroF ve L=100
mH dir. Buna göre rezonans frekans değerini bulunuz?
Çözüm:
Formülde değerler yerine konduğunda,
sonuç, fr=159,1 Hz olarak bulunur.
LC osilatör - Örnek
Örnek Soru – Rezonans Frekans:
Rezonans Frekansı 100 Hz olan bir LC devresi tasarlayınız.
Çözüm:
Sonsuz sayıda farklı parametrelerle TASARLANABİLİR!!

Osilatör Sınıfları
1. LC osilatörler
Hartley Osilatörü
(Bu bölümde anlatılacaktır)
Colpitts Osilatörü
Crystal Osilatörü
2. RC osilatörler
Wien Bridge Osilatörü
Faz-Kaydırmalı (Phase-Shift) Osilatör
LC Oscillators
LC osilatör, salınımları sürdürmek için gerekli pozitif geri
bildirimi vermek için bir LC (indüktör-kapasitör) tank devresinin
kullanıldığı bir osilatör türüdür. LC tank devresi ayrıca LC
rezonans devresi olarak adlandırılır.
Sürekli salınımlar için Barkhausen kriterine göre, bir devre
yalnızca sistemin döngü kazancının 1'e eşit veya daha büyük
olduğu ve giriş ile çıkış arasındaki faz kaymasının 0 veya 2π'nin
integral katı olduğu frekanslar için kararlı salınımları
sürdürecektir.
LC osilatörleri BJT, FET, MOSFET, opamp vb. kullanılarak
gerçekleştirilebilir. LC osilatörlerinin tipik uygulamaları arasında
RF sinyal üreteçleri, frekans karıştırıcılar, ayarlayıcılar, sinüs
dalgası üreteçleri, RF modülatörleri vb. yer alır.
LC Oscillators
Geri besleme devrelerinde transistörler, (OP-AMP) ve LC
ayarlı devreler veya kristaller kullanılabilir.
LC osilatörleri yüksek frekanslı dalgalar oluşturmak için
yaygın olarak kullanılır, bu nedenle bunlara RF osilatörleri de
denir. Endüktör ve kondansatörlerin pratik değerleri ile daha
yüksek aralıktaki (500 MHz üzeri) frekansları üretmek
mümkündür.
KHz - MHz frekans aralığı için çıkış sinyalleri üretebilirler.
Bu sınıf erisinde: Hartley, Colpitts ve Crystal Osilatörler
bulunmaktadır.
LC Osilatörler - Hartley Osilatörü
Hartley Osilatörü:
Hartley Osilatör, salınımlı çıktı (sinüzoidal) üreten bir cihazdır. LC
devresi veya tank devresi olarak da adlandırılan bir salınımlı devreye
bağlı bir amplifikatörden oluşur. Tank devresinin işlevi, belirli bir
frekansı ayarlamaktır. LC osilatörleri, radyo frekansı aralığında
çalışmak üzere tasarlanmıştır.
Hartley osilatörü, klasik LC geri besleme devrelerinden biridir ve
yüksek frekanslı dalga formla veya sinyalleri oluşturmak için
kullanılır.
Düşük frekanslı bir osilatör olamaz. Harmonik bozulmalar var.
LC Osilatörler - Hartley Osilatörü
Hartley Osilatörü, 1915 yılında Ralph Hartley tarafından icat edilen bir
tür harmonik osilatördür. Bunlar, radyo frekansı aralığında dalgaları
üretmek in kullanılır. RF Osilatörleri olarak da adlandırılan Hartley
Osilatörü, aynı zamanda ayarlı devre osilatörleridir. Salınım frekansına,
seri olarak bağlanan iki indüktöre paralel olarak bağlanmış bir
kapasitöre sahip bir elektronik devredir. OP-AMP tabanlı devresi
aşağıda verilmiştir.
Hartley Osilatörde Frekans
OP-AMP (Amplifier) devresi kullanarak Hartley Osilatörü
oluşturmanın avantajı, OP-AMP kazancının R1 ve R2 geri
besleme dirençleri kullanılarak çok kolay ayarlanabilmesidir.
Hartley Osilatör devresinde verildiği gibi, devrenin kazancı
L1 / L2 oranından (Feedback Oranı) çok veya biraz daha büyük
olmalıdır.
Hartley Osilatörün Salınım Frekansı (Hz):
Feedback oranı:
Note : Formülde görüldüğü gibi salınım frekansı L ve C değerleriyle Ters
Orantılı bir şekilde değişmektedir.
1 2
1
f
2. L L C
Hartley Osilatör Özellikleri
Çıkış sinyali olarak iyi kalitede Sinüs dalgası (AC) üretir.
Üretilen sinyalin frekans aralığı 20 Khz 20 Mhz
arasındadır.
Sabit bir frekans değerinde çıkış sinyalinin genliği
sabittir.
Devrede Harmonik bozulmalar meydana gelebilir.
Genellikle radyo alıcılarında yerel osilatör olarak
kullanılır.
Devrenin salınım frekansı Kapasitans (C) değerinin
değiştirilmesi ile değiştirilebilir.
Hartley Osilatör-Örnek Soru
Örnek-1 :
L1=0.5mH ; L2=1 mH ve C=0.2 microF parametrelerine sahip bir
Hartley osilatör devresinin salınım frekansını bulunuz.
Hartley Osilatör-Örnek Soru
Çözüm-1 :
Hartley Osilatör-Örnek Soru
Örnek-2 :
Her biri 0.5mH'lik iki ayrı indüktöre sahip bir Hartley Osilatör devresi,
100pF ile 500pF arasında ayarlanabilen değişken bir kondansatöre
paralel olarak rezonans yapacak şekilde tasarlanmıştır. Salınımın üst
ve alt frekanslarını ve ayrıca Hartley osilatörlerinin bant genişliğini
bulun.
Hartley Osilatör Soru Çözümü
Çözüm:
Salınım frekansı:
ve toplam L ise :
Lt = L1+L2 = 1 mH
Hartley Osilatörün Üst Frekansı için C=100 pF seçilmelidir. Buna göre
,
Hartley Osilatörün Alt Frekansı için C=500 pF seçilmelidir. Buna göre,
Bant Genişliği ise,
1 2
1
f
2. L L C
olur.
Hartley Osilatör-Örnek Soru
Örnek-3 :
Bir Hartley osilatör devresinde L1=20 microH; L2=2 mH ve C ise
değişebilen kapasitördür. Hartley osilatöründen 1 MHz ve 2.5 MHz
aralığında çıkış frekansı elde etmek istiyorsak C değerinin kapasitans
aralığı ne olmalıdır?
Hartley Osilatör-Örnek Soru
Çözüm-3 :
Hartley Osilatör Özet
Çözümlü Sorular (Hartley Osilatör)
Örnek-1 :
Sırasıyla 1 mH ve 2 mH olan iki ayrı indüktöre sahip bir
Hartley Osilatör devresi, 500pF ile 1 nF arasında ayarlanabilen
değişken bir kondansatöre paralel olarak rezonans yapacak şekilde
tasarlanmıştır. Buna re,
a) Salınımın üst ve alt frekanslarını,
b) Osilatörlerinin bant genişliğini,
c) Feedback oranını bulunuz.
Hartley Osilatör Soru Çözümü
Çözüm:
Salınım frekansı:
ve toplam L ise :
Lt = L1+L2 = 3 mH
Hartley Osilatörün Üst Frekansı için C=500 pF seçilmelidir. Buna göre
,
Alt Frekansı için C=1 nF seçilmelidir. Buna göre,
Bant Genişliği ise,
1 2
1
f
2. L L C
olur.
Çözümlü Sorular (Hartley Osilatör)
Örnek-3 :
Beta=0.2 ve C=1 pF (sabit değerde) gibi değerlere sahip
bir Hartley osilatörü için 1 MHz çıkış frekansı için olması gereken her
iki inductor değerini (L1 ve L2) hesaplayınız.
Çözümlü Sorular (Hartley Osilatör)
L1/L2=0.2
olduğundan,
L2=5L1
olur. f=1 MHz ve C=1 pF
L2=5.L1 olduğundan,
Çözümlü Sorular (Hartley Osilatör)
Örnek-2 :
5 mH ve 10 mH lik iki indüktör kullanarak Bantgenişliği
100 KHz olan bir Hartley osilatör devresi tasarlayınız. (Kapasitans
değeri değişebilen kapasitörün min ve max değerleri ne olur
)
Osilatör Sınıfları
1. LC osilatörler
Hartley Osilatörü
Colpitts Osilatörü
(Bu bölümde anlatılacaktır)
Crystal Osilatörü
2. RC osilatörler
Wien Bridge Osilatörü
Faz-Kaydırmalı (Phase-Shift) Osilatör
LC Oscillators
Geri besleme devrelerinde transistörler, (OP-AMP)
ve LC ayar devreler veya kristaller kullanılabilir.
KHz - MHz frekans aralığı için çıkış sinyalleri
üretebilirler.
Bu sınıf içerisinde: Hartley, Colpitts ve Crystal
Osilatörler bulunmaktadır.
Colpitts Osilatörü
LC osilatörleri farklı ntemler kullanılarak tasarlanabilir. İyi bilinen
LC osilatörleri Hartley osilatörü ve Colpitts osilatörüdür. Bu ikisi
arasında, sık kullanılan tasarım, 1918'de Amerikalı bir mühendis
Edwin H Colpitts tarafından tasarlanan ve adı alan Colpitts
Osilatörüdür.
Bu osilatör, her yönüyle Hartley osilatörüne neredeyse benzerdir; bu
nedenle, Hartley osilatörünün elektriksel çifti olarak adlandırılır ve
tipik olarak 10 KHz ila 300MHz arasında değişen yüksek frekanslı
sinüzoidal salınımların üretilmesi in tasarlanmıştır. Bu iki osilatör
arasındaki en büyük fark, Colpitts osilatörü kademeli kapasitans
kullanırken, Hartley osilatörü ise kademeli endüktans kullanır.
Colpitts Osilatörü Çalışması -1
Colpitts osilatöründe bulunan Capacitorler ve Inductor elemanları
içeren LC devre kısmı aşağıda verilmiştir. Bu LC devre yapısı Tank
devresi olarak da geçmektedir.
Güç kaynağı her açıldığında, yukarıdaki devrede gösterilen C1 ve C2
kapasitörleri şarj olmaya başlar ve kapasitörler tamamen şarj
olduktan sonra, kapasitörler devredeki indüktör L1'den boşalmaya
başlar ve tank devresinde sönümlü harmonik salınımlara neden olur.
Colpitts Osilatörü Çalışması -2
Böylece, tank devresindeki salınım akımı ile C1 & C2 boyunca bir AC
gerilim üretilir. Bu kapasitörler tamamen deşarj olurken,
kapasitörlerde depolanan elektrostatik enerji manyetik akı
formunda indüktöre aktarılır ve böylece indüktör şarj edilir.
Benzer şekilde, indüktör boşalmaya başladığında, kapasitörler
tekrar şarj etmeye başlar ve bu enerji şarj ve deşarj kapasitörleri ve
indüktör süreci, salınımların oluşmasına neden olur ve bu
salınımların frekansı, aşağıdakilerden oluşan tank devresinin
rezonans frekansı kullanılarak belirlenebilir. Bu tank devresi enerji
deposu olarak kabul edilebilir. Bunun nedeni, indüktörün sahip
olduğu enerjinin sürekli bir biçimde şarj ve deşarj olmasıdır. LC
ağının tank devresini kondansatörler ile beraber oluştururlar.
OP-AMP tabanlı Colpitts Osilatörü
Opamp, R1'in giriş direnci ve Rf'nin geri besleme direnci olduğu ters
çevirme modunda zenlenmiştir. Opamp esaslı osilatörün kazancı,
Rf ve R1 bileşenleri kullanılarak ayrı ayrı ayarlanabilir ve yük bir
avantaj oluşturmaktadır. Ters çevrilmiş bir op-amp amplifikatörünün
kazancı denklem tarafından verilir; A = -Rf / R1. Tank devre
elemanları, kuplaj kapasitörleri vb. gibi diğer bileşenlerin, opamp
tabanlı Colpitts osilatörünün kazancında önemli bir etkisi yoktur.
Colpitts Osilatörü
Colpitts Osilatörü, RF aralığında 30kHz ila 30MHz arasında yüksek
frekanslı Sinüs dalga sinyalleri üretmek için oldukça güvenilir bir
devredir. Ayrıca bu devrede üretilen Sinüs sinyalleri çok düşük
seviyede bozulmaya sahiptir yani tam bir sinüs üretmek mümkündür.
Salınım frekansı, aşağıdaki formül kullanılarak herhangi bir paralel
rezonant devre ile aynı şekilde hesaplanabilir:
İki kapasitörün (seri bağlı) eş değer toplam kapasitansları şu şekilde
olur:
Colpitts Osilatörü - FeedBack Oranı
C1 ve C2 kapasitörlerinin değerlerini değiştirerek tank devresine geri
gönderilen geri besleme gerilim miktarını ayarlayabiliriz. Bununla
birlikte, büyük miktarda geri bildirim, çıkış sinüs dalgasının
bozulmasına neden olabilirken, küçük miktarlarda geri bildirim,
devrenin salınmasına izin vermeyebilir.
Daha sonra Colpitts osilatörü tarafından geliştirilen geri besleme
miktarı C1 ve C2'nin kapasitans oranına dayanır ve osilatörün
uyarımını yönetir. Bu orana “Geribesleme Oranı (Feedback Oranı)”
denir ve basitçe şöyle hesaplanır:
Colpitts Osilatör Avantajı
Colpitts Osilatörünün Hartley osilatörlerine göre avantajları,
Colpitts osilatörünün ksek frekanslardaki kapasitörlerin düşük
empedans sergilemesi nedeniyle daha saf bir sinüzoidal dalga formu
üretmesidir. Ayrıca bu kapasitif reaktans özellikleri nedeniyle FET
bazlı Colpitts osilatörü çok yüksek frekanslarda çalışabilir.
Bu osilatör, her yönüyle Hartley osilatörüne neredeyse benzerdir; bu
nedenle, Hartley osilatörünün elektriksel çifti olarak adlandırılır ve
tipik olarak 10 KHz ila 300MHz arasında değişen yüksek frekanslı
sinüzoidal salınımların üretilmesi için tasarlanmıştır. Bu iki osilatör
arasındaki en büyük fark, Colpitts osilatörü kademeli kapasitans
kullanırken, Hartley osilatörü ise kademeli endüktans kullanır.
Colpitts Osilatörü Özellikleri
Colpitts osilatörü, yüksek frekanslı sinüs dalgası üreteci
olarak kullanılabilir.
Frekans kararlılığı yüksektir.
Frekans, her iki değişken kapasitör kullanılarak
değiştirilebilir.
Osilatör çıkışının genliği belirli bir frekans aralığında
sabittir.
Yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanabilir.
Genellikle radyo alıcılarında yerel osilatör olarak kullanılır.
Ayrıca RF osilatör veya Mobile uygulamalarda da kullanılır.
Colpitts Osilatör - Örnek Soru
Örnek :
Sırasıyla 24nF ve 240nF'lik iki kapasitöre sahip bir Colpitts Osilatör
devresi, 10mH'lik bir indüktöre paralel olarak bağlanmıştır. Buna
göre devrenin salınım frekansını ve geribesleme oranını bulunuz.
Colpitts devresi seri olarak iki kapasitörden oluştuğundan, toplam kapasitans:
İndüktörün endüktansı 10mH ise sonra salınım frekansı:
Geribesleme oranı ise şu şekilde hesaplanır:
Çözümlü Soru: - (Feedback devresi / Barkhausen kriteri)
Örnek-1: Verilen feedback devresinde salınımlar üretmek in
gerekli Kazanç (A) ve açısı (Teta) ne olmalıdır?
Çözüm-1: Barkhausen kriterine göre :
Dolayısıyla,
Çözümlü Soru: - (Feedback devresi / Barkhausen kriteri)
Örnek-2: Verilen feedback devresinde salınımlar üretmek in
gerekli Feedback faz açısı (Teta) ve kazancı (Beta) ne olmalıdır?
Çözüm-2: Barkhausen kriterine göre :
Dolayısıyla,
Çözümlü Soru: - (LC devresi / Rezonans frekans)
Örnek-3: Sadece L ve C elemanlarıyla oluşturulmuş bir elektrik
devresinde L=90 mH ve C=40 microF dır. Buna göre bu devrenin
Rezonans frekansı nedir?
Çözüm-3:
Rezonans frekans ile bulunur.
Dolayısıyla, değerler formülde yerine konduğunda,
Çözümlü Soru: - (LC devresi / Tasarım)
Örnek-4: Rezonans frekansı 1 KHz olan bir LC devresi (Tank
devresi) tasarlayınız.
Çözümlü Soru: - (Hartley Osilatörü)
Örnek-5: L1=5mH ; L2=20mH ve C=0.8 microF parametrelerine
sahip bir Hartley osilatör devresinin salınım frekansını bulunuz.
Çözüm-5:
Hartley osilatöründe salınım frekansı:
ile bulunur. Dolayısıyla verilen parametreler yerine konduğunda
Çözümlü Soru: - (Hartley Osilatörü)
Örnek-6:
Sırasıyla 2 mH ve 8 mH olan iki ayrı indüktöre sahip bir
Hartley Osilatör devresi, 400pF ile 1 nF arasında ayarlanabilen
değişken bir kondansatöre paralel olarak rezonans yapacak şekilde
tasarlanmıştır. Buna göre,
a) Salınımın üst ve alt frekanslarını,
b) Osilatörlerinin bant genişliğini,
c) Feedback oranını bulunuz.
Hartley Osilatör
Çözüm-6:
Salınım frekansı: ve toplam L ise
:
Lt = L1+L2 = 10 mH
Hartley Osilatörün Üst Frekansı için C=400 pF seçilmelidir. Buna göre
,
Alt Frekansı için C=1 nF seçilmelidir. Buna göre,
Bant Genişliği ise,
1 2
1
f
2. L L C
olur.
Çözümlü Soru: - (Colpitts Osilatörü)
Örnek-7:
Sırasıyla 30 nF ve 270 nF'lik iki kapasitöre sahip bir Colpitts
Osilatör devresi, 100 mH'lik bir indüktöre paralel olarak bağlanmıştır.
Buna göre devrenin salınım frekansını ve geribesleme oranını
bulunuz.
Çözüm-7:
Colpitts osilatöründe salınım frekansı:
ve burada
Dolayısıyla verilen parametreler yerine konduğunda
L=100 mH ise olur.
Geribesleme oranı ise :
LC Osilatörler
LC osilatörler Özeti:
LC Osilatörleri hatırlamak adına özetlemek gerekirse, basit bir
indüktör-kapasitör, LC devresinde, salınımlar, bileşen ve
devre kayıpları nedeniyle zamanla sönümlenir. Bu devre
kayıplarının üstesinden gelmek ve pozitif kazanç sağlamak
için gerilim amplifikasyonu gereklidir. Amplifikatörün genel
kazancı birden büyük olmalıdır. Ancak daha sonra osilasyon
devamlılığının sağlanması için Barkhausen Kriterinin
sağlanmış olması gerekir.
LC Osilatörler
LC Osilatörler Avantajları:
LC osilatörlerinin faydaları, faz kararlılığı ve gürültüye karşı
düşük duyarlılıktır.
LC osilatörleri, Gevşeme osilatörlerinden daha yüksek Q
faktörüne sahiptir.
Daha küçük boyutlarında ve tasarım kolaylığına sahiptirler.
İyi tasarlandığında, yüksek frekansta ve iyi performansa
çalışabilirler.
LC Osilatörler
LC Osilatörler dezavantajları:
Frekans kararsızlığı mevcuttur.
Dalga formu zayıftır.
Düşük frekanslar için kullanılamaz.
İndüktörler aşırı büyük ve pahalıdır.
Gevşeme Osilatörlerine (Relaxation Oscilators) kıyasla daha
düşük ayar aralığına ve daha yüksek maliyete sahiptirler.